동역학적으로 제어된 상 진화 (순수 아이오다이드 WBG 페로브스카이트)

Cs 함량이 높은 순수 아이오다이드 광대역 페로브스카이트가 Cl⁻ 없이는 불가피하게 δ-CsPbI₃ 이차상을 형성하는 이유와, MACl이 2D Ruddlesden–Popper 중간체를 통해 결정화 경로를 재조정함으로써 상 순수하고 편석이 없는 흡수층을 형성하는 원리를 설명한다 (see Ji et al., Joule (2022)).

문제점 (열역학만으로는 불충분)

• Cs⁺는 혼합 양이온 페로브스카이트 용액에서 우선적으로 석출된다: ICP-MS 분석 결과, 5% Cs 용액의 석출물에서는 Cs가 40%, 10% Cs 용액에서는 95% 를 차지하는 것으로 나타났다 (see Ji et al., Joule (2022), Fig. 2B). Cs 농도가 높은 핵은 비페로브스카이트 사방정계 δ-CsPbI₃ 상으로 유도되는 경향이 있으며, 이는 열역학적 허용인수 논거만으로는 회피할 수 없다.

동역학적 재조정 (동역학적 정합으로서의 Cl⁻)

• Cl⁻는 Cs⁺와 유사하게 빠른 석출 동역학을 공유하므로, MACl을 함유한 박막에서 Cs는 δ-CsPbI₃ 핵이 아닌 Cs₂PbI₂Cl₂ (2D RP) 핵 (Cs₂PbI₂Cl₂-2D-RP-intermediate)으로 포획된다.
• 2D RP 중간체는 완전 어닐링 시 α-페로브스카이트로 전환되며 (고상 반응), 이를 통해 상 순수한 CsDMAMAPbI3-pure-iodide-WBG-perovskite가 형성된다.
• 이 과정은 현장(in-situ) 모식도 및 XRD/PL 동역학 분석을 통해 확인되었다 (see Ji et al., Joule (2022), Fig. 2E).

중요성

이 동역학적으로 제어된 상 진화 경로는 열역학적 허용인수 논거만으로는 구현할 수 없는 상 순수 순수 아이오다이드 박막을 가능하게 한다 — 브로마이드를 포함하지 않아 광유도 할라이드 편석이 발생하지 않는 1.68 eV WBG 흡수층을 실현하는 핵심 단계로서, NREL 인증 효율 28.37%의 페로브스카이트/Si 탠덤 소자 (perovskite-Si-tandem-PCE-certified-28pt37pct-2022)를 가능하게 하는 기반이 된다.